(57)【要約】【課題】耐熱性基板上に抵抗発熱体あるいは赤外線反射層を構成することで、酸素ポンプ素子の均一加熱と熱ロスを低減した効率的な動作を可能にすること。【解決手段】酸素イオン導電性基板４の両面に正負電極膜５ａ及び５ｂが形成された酸素ポンプ素子６と、耐熱性基板１１ａ及び１１ｂ上に、赤外線輻射層１６ａ及び１６ｂが積層された抵抗発熱体１２ａ及び１２ｂが形成された加熱手段１０ａ及び１０ｂと、前記電極膜５ａ及び５ｂと電気的に接続された導電手段８と、前記酸素ポンプ素子６と前記加熱手段１０ａ及び１０ｂを電気的に絶縁する通気性絶縁材９ａ及び９ｂとで構成し、前記酸素ポンプ素子６の負電極膜と前記加熱手段１０ａ及び１０ｂの抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂを相対する構成に配置することにより、赤外線輻射層１６ａ及び１６ｂが積層された抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂが酸素ポンプ素子６を均一かつ高効率に加熱することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に赤外線輻射層が積層された抵抗発熱体で形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とを有し、前記加熱手段により前記酸素イオン導電性基板を加熱する酸素ポンプ。
【請求項２】
抵抗発熱体は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成される請求項１に記載の酸素ポンプ。
【請求項３】
赤外線輻射層は、金属酸化物および耐熱性結合剤で構成される請求項１または２に記載の酸素ポンプ。
【請求項４】
耐熱性基板は、絶縁性セラミックスで構成される請求項１〜３いずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項５】
通気性絶縁材は、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体である請求項１〜４いずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項６】
通気性絶縁材は、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構造とした請求項１〜４いずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項７】
酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に赤外線輻射層が積層された抵抗発熱体と赤外線反射層で形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とを有し、前記加熱手段により前記酸素イオン導電性基板を加熱する酸素ポンプ。
【請求項８】
抵抗発熱体は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成される請求項７に記載の酸素ポンプ。
【請求項９】
赤外線輻射層は、金属酸化物および耐熱性結合剤で構成される請求項７または８に記載の酸素ポンプ。
【請求項１０】
赤外線反射層は、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成される請求項７〜９いずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項１１】
耐熱性基板は、絶縁性セラミックスで構成される請求７〜１０いずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項１２】
通気性絶縁材は、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体である請求項７〜１１いずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【請求項１３】
通気性絶縁材は、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構造とした請求項７〜１１いずれか１項に記載の酸素ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的に酸素イオンを移動させる酸素ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の酸素ポンプは、酸素ポンプ素子を動作するに必要な所定温度に昇温維持するために電熱線などの抵抗発熱体を使った加熱手段を有している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３は、特許文献１に記載された従来の酸素ポンプを示すものである。図３に示すように、酸素イオン導電性基板１には、電圧印加手段２と加熱手段である温度調整手段３が設けられた構成となっている。
【特許文献１】特開平７−１７２８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、酸素イオン導電性基板上で均一加熱が困難なこと、ならびに熱ロスが大きく温度上昇に時間を要するなどエネルギー的に効率的な加熱が得にくいという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するのもので、均一かつ高効率な加熱が可能で、さらに熱ロスの少ない酸素ポンプを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に赤外線輻射層が積層された抵抗発熱体が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とを有し、前記加熱手段により前記酸素イオン導電性基板を加熱する酸素ポンプとするものである。
【０００７】
これによって、酸素イオン導電性基板の均一かつ高効率な加熱が可能となる。
【０００８】
また、酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に赤外線輻射層が積層された抵抗発熱体と赤外線反射層で形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とを有し、前記加熱手段により前記酸素イオン導電性基板を加熱する酸素ポンプとするものである。
【０００９】
これによって、酸素イオン導電性基板の均一かつ高効率な加熱が可能となり、赤外線反射層により熱ロスが低減される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の酸素ポンプは、酸素ポンプ素子の均一かつ高効率な加熱が可能で、さらに熱ロスが低減できるので、消費電力の少ない酸素ポンプ素子の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の発明は、酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に赤外線輻射層が積層された抵抗発熱体が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とを有し、前記酸素ポンプ素子の正負電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対する構成に配置することにより、抵抗発熱体が酸素ポンプ素子の均一加熱を可能とし、赤外線輻射層は抵抗発熱体からの熱輻射量を増大させ、高効率加熱を可能とする。
【００１２】
第２の発明は、特に、抵抗発熱体を白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成することにより、薄膜型の抵抗発熱体を構成し、速熱性の加熱手段とすることができる。
【００１３】
第３の発明は、特に、赤外線輻射層を金属酸化物および耐熱性結合剤で構成することにより、赤外線輻射率が高い輻射層が得られ、高効率の輻射加熱が可能な加熱手段とすることができる。
【００１４】
第４の発明は、特に、耐熱性基板を絶縁性セラミックスで構成し、熱劣化などの熱的影響が少ない加熱手段とすることが可能となる。
【００１５】
第５の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体とすることにより熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。
【００１６】
第６の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構造とすることにより熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。
【００１７】
第７の発明は、特に、酸素イオン導電性基板の両面に正負電極膜が形成された酸素ポンプ素子と、耐熱性基板上に抵抗発熱体と赤外線反射層が形成された加熱手段と、前記電極膜と電気的に接続された導電手段と、前記酸素ポンプ素子と前記加熱手段を電気的に絶縁する通気性絶縁材とを有し、前記酸素ポンプ素子の正負電極膜と前記加熱手段の抵抗発熱体を相対する構成に配置することにより、抵抗発熱体が酸素ポンプ素子を均一かつ高効率に加熱することが可能となり、かつ赤外線反射層が熱ロスの少ない効率的な加熱を可能とする。
【００１８】
第８の発明は、特に、抵抗発熱体を白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成することにより、薄膜型の抵抗発熱体を構成し、速熱性の加熱手段とすることが可能となる。
【００１９】
第９の発明は、特に、赤外線輻射層を金属酸化物および耐熱性結合剤で構成することにより、赤外線輻射率が高い輻射層が得られ、高効率の輻射加熱が可能な加熱手段とすることができる。
【００２０】
第１０の発明は、特に、赤外線反射層を白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成することにより、薄膜型の赤外線反射層を構成し、輻射による熱ロスを抑制することが可能となる。
【００２１】
第１１の発明は、特に、耐熱性基板を絶縁性セラミックスで構成し、熱劣化などの熱的影響が少ない加熱手段とすることが可能となる。
【００２２】
第１２の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体とすることにより熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。
【００２３】
第１３の発明は、特に、通気性絶縁材をシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の成型体であり、成型体に通気用の貫通孔を有する構造とすることにより熱劣化などの熱的影響が少ない通気性絶縁材が得られる。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプの模式的断面図である。
【００２６】
図１において、酸素イオン導電性基板４は置換型のランタンガレート（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３）の焼結体を任意の厚さ（例えば、約２００μｍ）の平板状に成型したものであり、その両面に電極膜５ａおよび５ｂが形成され、酸素ポンプ素子６を構成している。
【００２７】
酸素ポンプ素子６は、導電手段７を介して、電圧印加手段８と接続されている。酸素ポンプ素子６には、通気性絶縁材９ａおよび９ｂと加熱手段１０ａおよび１０ｂが積層されている。加熱手段１０ａおよび１０ｂは、耐熱性基板１１ａおよび１１ｂと抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂとで構成されている。抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂは、導電手段１３ａおよび１３ｂを介して、加熱用電圧印加手段１４ａおよび１４ｂと接続されている。
【００２８】
抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂの表面には、それぞれ赤外線輻射層１６ａおよび１６ｂが積層されている。
【００２９】
酸素イオン導電性基板４は、ランタンガレートに限るものではなく、イットリウムドープ型のジルコニア（ＹＳＺ）、サマリウムドープ型のセリア（ＳＤＣ）などであっても良い。
【００３０】
電極膜には、導電性を有するペロブスカイト型複合酸化物を用いた。例えば、Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３を有機溶剤であるセルロース系ビヒクルと混合したペーストを、スクリーン印刷により印刷膜を形成し、乾燥、焼成することにより多孔質な電極膜を形成した。
【００３１】
さらに、電極膜５ａおよび５ｂは、ペロブスカイト型複合酸化物を用いた多孔質な電極膜の表面に、導電性の高い金や白金のような金属の多孔質膜を形成した２層構造であってもよい。形成方法は、上記のような印刷でよい。
【００３２】
導電手段７は、ＡｕやＰｔ、Ｎｉなどの金属線でよい。通気性絶縁材９ａおよび９ｂは、シリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の多孔質成型体あるいは、図示しないがシリカやアルミナなどの絶縁性酸化物の成型体に通気用の貫通孔を設けたものでよい。酸素ポンプ素子６は、負電極膜側から正電極膜側へと酸素を移動させるので、通気性絶縁材には十分な通気性が必要であるが、どちらか一方に限定するものではない。酸素ポンプに要求される特性にあうものを選択すればよい。
【００３３】
耐熱性基板１１ａおよび１１ｂは、アルミナやコーディエライトなど成型可能な熱劣化などの熱的影響が少ない絶縁性セラミックスで構成する。抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂの熱ロスを抑制するために、機械的強度が確保される範囲で、できる限り薄板であることが好ましい。
【００３４】
抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂは、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成する。電極膜５ａおよび５ｂと同様の印刷法で、耐熱性基板１１の表面に薄膜型の発熱体を形成することができる。印刷法であれば、抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂの厚さは、数μｍ程度にできるので、速熱性の加熱手段１０ａおよび１０ｂを得ることができる。
【００３５】
赤外線輻射層１６ａおよび１６ｂは、輻射層の前駆体を使って塗布後加熱焼結などの任意の被膜形成手段により得られる被膜である。被膜は、例えば耐熱性結合剤としてのボロシロキサン重合体と、金属酸化物としての鉄、マンガン、銅の３種の複合酸化物およびジルコニア、アルミナ、溶剤を混合した前駆体の加熱焼結によって得られる。
【００３６】
このようにして得られる赤外線輻射層１６ａおよび１６ｂは、任意の厚さに形成することが可能で、高い赤外線輻射率が得られる。例えば、上記組成で熱平衡型放射率計によれば、厚さ約５μｍで、輻射率約０．８となる。抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂの輻射率は、その表面状態にもよるが、おおよそ０．１から０．３程度であり、赤外線輻射層１６ａおよび１６ｂは明らかに輻射加熱に適している。
【００３７】
酸素ポンプ素子６と加熱手段１０ａおよび１０ｂは、通気性絶縁材９ａおよび９ｂを介して、酸素ポンプ素子６の電極膜５ａおよび５ｂと加熱手段１０ａおよび１０ｂの抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂを、それぞれ相対して配置する。すなわち、耐熱性基板１１ａ、１１ｂ上に形成された抵抗発熱体１２ａ、１２ｂは、耐熱性基板１１ａ、１１ｂに空間をおいて挟まれて設けられた酸素イオン導電性基板４上に設けられた電極膜５ａ、５ｂと対向して設けられている。
【００３８】
このときの、酸素ポンプ素子６と加熱手段１０ａおよび１０ｂとの空間距離は、抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂの輻射強度が距離の二乗に反比例することから、可能な限り短いほうが好ましい。
【００３９】
以上のように構成された酸素ポンプについて、以下その動作、作用を説明する。
【００４０】
抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂは、加熱用電圧印加手段１４ａおよび１４ｂからの通電により、温度上昇し、赤外線輻射層１６ａおよび１６ｂが空間近傍に配置された酸素ポンプ素子６を、直接的に輻射加熱する。抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂと酸素ポンプ素子６の空間距離が近いので、酸素ポンプは、短時間で所定温度に昇温する。
【００４１】
輻射加熱により、所定温度に昇温した酸素ポンプ素子６に、電圧印加手段８によって正負電極間に通電すると、負電極側から正電極側に向かって、酸素移動が進行する。このときの酸素は、通気性絶縁材９ａを介して、周辺大気から供給される。これによって正電極膜５ｂ表面には、酸素だけが輸送されることになる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態では、赤外線輻射層１６ａおよび１６ｂが積層された抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂと、酸素ポンプ素子６が、ほぼ等しい形態で相対しているので、従来の配線による熱ムラが発生しやすい電熱線加熱に比較して、均一かつ高効率の輻射加熱が可能となる。これにより、酸素ポンプの効率的な動作が可能となる。
【００４３】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における酸素ポンプの模式的断面図である。
【００４４】
図２において、酸素イオン導電性基板４は置換型のランタンガレート（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３）の焼結体を任意の厚さ（例えば、約２００μｍ）の平板状に成型したものであり、その両面に電極膜５ａおよび５ｂが形成され、酸素ポンプ素子６を構成している。
【００４５】
酸素ポンプ素子６は、導電手段７を介して、電圧印加手段８と接続されている。酸素ポンプ素子６には、通気性絶縁材９ａおよび９ｂと加熱手段１０ａおよび１０ｂが積層されている。加熱手段１０ａおよび１０ｂは、耐熱性基板１１ａおよび１１ｂと抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂと赤外線反射層１５ａおよび１５ｂで構成されている。抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂは、導電手段１３ａおよび１３ｂを介して、加熱用電圧印加手段１４ａおよび１４ｂと接続されている。
【００４６】
以下、実施の形態１と同様の構成については、記載しないこととする。
【００４７】
赤外線反射層１５ａおよび１５ｂは、白金、金、銀、パラジウム、ロジウムの少なくとも１種以上で構成する。電極膜５ａおよび５ｂと同様の印刷法で、耐熱性基板１１ａおよび１１ｂの表面に薄膜型の赤外線反射層１５ａおよび１５ｂを形成することができる。
【００４８】
印刷法であれば、赤外線反射層１５ａおよび１５ｂの厚さは、数μｍ程度にできる。また、印刷法以外に、蒸着などの薄膜形成手段も適用可能である。
【００４９】
赤外線反射層１５ａおよび１５ｂは、耐熱性基板１１ａおよび１１ｂよりも赤外線反射率が高いことが必要である。換言すると赤外線輻射率が低いことが必要である。これによって、加熱手段１０ａおよび１０ｂからの輻射による熱ロスを、抑制できる。材料としては、上記のうち金が最も好ましい。
【００５０】
以上のように構成された酸素ポンプについて、以下その動作、作用を説明する。
【００５１】
抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂは、加熱用電圧印加手段１４ａおよび１４ｂからの通電により、温度上昇し、赤外線輻射層１６ａおよび１６ｂが空間近傍に配置された酸素ポンプ素子６を、直接的に輻射加熱する。抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂと酸素ポンプ素子６の空間距離が近いので、酸素ポンプは、短時間で所定温度に昇温する。
【００５２】
この時、抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂと反対側に配置された赤外線反射層１５ａおよび１５ｂは、赤外線輻射率が低いので、抵抗発熱体１２ａおよび１２ｂの発熱により昇温した耐熱性基板１１ａおよび１１ｂの熱輻射による熱ロスを抑制し、酸素ポンプ素子６の加熱に有効に作用する。
【００５３】
輻射加熱により、所定温度に昇温した酸素ポンプ素子６に、電圧印加手段８によって正負電極間に通電すると、負電極側から正電極側に向かって、酸素移動が進行する。このときの酸素は、通気性絶縁材９ａを介して、周辺大気から供給される。これによって正電極膜５ｂ表面には、酸素だけが輸送されることになる。
【００５４】
以上のように、本実施の形態では、赤外線反射層１５ａおよび１５ｂが、熱ロスを抑制するので、酸素ポンプの熱的な効率動作を可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、酸素ポンプ素子の均一かつ高効率加熱を実現し、熱ロス低減による効率動作が可能な低消費電力の酸素ポンプ素子の提供によって、酸素を利用する空気清浄機や空調機器あるいは健康促進機器、健康増進機器など広範な用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプの模式的断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における酸素ポンプの模式的断面図
【図３】従来の酸素ポンプを示す図
【符号の説明】
【００５７】
４  酸素イオン導電性基板
５ａ、５ｂ  電極膜
６  酸素ポンプ素子
７  導電手段
９ａ、９ｂ  通気性絶縁材
１０ａ、１０ｂ  加熱手段
１１ａ、１１ｂ  耐熱性基板
１２ａ、１２ｂ  抵抗発熱体
１５ａ、１５ｂ  赤外線反射層
１６ａ、１６ｂ  赤外線輻射層
【図１】
2006218362.tif 000003
【図２】
2006218362.tif 000004
【図３】
2006218362.tif 000005